KR102244220B1 - 반도체 발광 소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 제1 도전형 반도체층; 상기 제1 도전형 반도체층 상에 배치되고, 복수의 양자 장벽층 및 복수의 양자 우물층이 교대로 적층된 활성층; 및 상기 활성층 상에 배치되는 제2 도전형 반도체층을 포함하며, 상기 복수의 양자 장벽층 중 상기 제2 도전형 반도체층에 가장 인접한 양자 장벽층은 제1 언도프 영역(undoped region) 및 상기 제1 언도프 영역 상에 배치되고 상기 제1 언도프 영역의 두께보다 크거나 같은 두께를 갖는 제1 도프 영역(doped region)을 포함하고, 상기 제1 언도프 영역 및 제1 도프 영역 각각은 서로 다른 에너지 밴드갭을 갖는 복수의 제1 단위층들(unit layers)이 교대로 배치되어 이루어진 적어도 하나의 정공 수용 영역(hole accumulation region)을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자를 제공한다.

Description

반도체 발광 소자{SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE}
본 발명은 반도체 발광 소자에 관한 것이다.
반도체 발광 소자는 전류가 가해지면 제1 및 제2 도전형 반도체의 접합 부분에서 전자와 정공의 재결합에 기하여, 다양한 색상의 빛을 발생시킬 수 있는 반도체 장치이다. 이러한 반도체 발광 소자는 필라멘트에 기초한 발광 소자에 비해 긴 수명, 낮은 전원, 우수한 초기 구동 특성 등의 여러 장점을 갖기 때문에 그 수요가 지속적으로 증가하고 있다. 특히, 최근에는, 청색 계열의 단파장 영역의 빛을 발광할 수 있는 Ⅲ족 질화물 반도체가 각광을 받고 있다.
이러한 반도체 발광 소자의 발광 효율을 증가시키기 위한 다양한 노력이 시도되고 있다.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제 중 하나는, 활성층의 열화를 막고 활성층 내부로 정공 및 전자의 주입 효율을 증가시켜 반도체 발광 소자의 발광 효율을 증가시키고자 하는 것이다.
본 발명의 실시예들에 따른 반도체 발광 소자는, 제1 도전형 반도체층; 상기 제1 도전형 반도체층 상에 배치되고, 복수의 양자 장벽층 및 복수의 양자 우물층이 교대로 적층된 활성층; 및 상기 활성층 상에 배치되는 제2 도전형 반도체층을 포함하며, 상기 복수의 양자 장벽층 중 상기 제2 도전형 반도체층에 가장 인접한 양자 장벽층은 제1 언도프 영역(undoped region) 및 상기 제1 언도프 영역 상에 배치되고 상기 제1 언도프 영역의 두께보다 크거나 같은 두께를 갖는 제1 도프 영역(doped region)을 포함하고, 상기 제1 언도프 영역 및 제1 도프 영역 각각은 서로 다른 에너지 밴드갭을 갖는 복수의 제1 단위층들(unit layers)을 포함하며, 인접한 제1 단위층들이 서로 다른 에너지 밴드갭을 갖도록 배열된 적어도 하나의 정공 수용 영역(hole accumulation region)을 포함할 수 있다.
일 예로, 상기 복수의 제1 단위층들은 제1 층과 상기 제1 층보다 작은 에너지 밴드갭을 갖는 제2 층을 포함할 수 있다.
일 예로, 상기 복수의 제1 단위층들은 상기 제1 층보다 큰 에너지 밴드갭을 갖는 제3 층을 더 포함할 수 있다.
일 예로, 상기 제1 층, 제2 층 및 제3 층은 각각 GaN층, InGaN층 및 AlGaN층일 수 있다.
일 예로, 상기 제1 언도프 영역 및 제1 도프 영역 중 적어도 하나는 GaN/InGaN/AlGaN/InGaN/GaN의 적층 구조를 가질 수 있다.
일 예로, 상기 제1 도프 영역은 상기 제2 도전형 반도체층에 접할 수 있다.
일 예로, 상기 제1 도프 영역은 제2 도전형 도펀트로 도핑될 수 있다.
일 예로, 상기 제1 도프 영역을 이루는 단위층들의 두께는 각각 0.5 nm 이상 4.5 nm 이하일 수 있다.
일 예로, 상기 제1 언도프 영역을 이루는 단위층들의 두께는 각각 0.1 nm 이상 0.5 nm 이하일 수 있다.
일 예로, 상기 복수의 양자 장벽층 중 상기 제2 도전형 반도체층에 가장 인접한 양자 장벽층 외의 나머지 양자 장벽층들 중 적어도 하나는 제2 도프 영역 및 상기 제2 도프 영역 상에 배치되고 상기 제2 도프 영역의 두께보다 작거나 같은 두께를 갖는 제2 언도프 영역을 포함하고, 상기 제2 언도프 영역 및 제2 도프 영역 각각은 서로 다른 에너지 밴드갭을 갖는 복수의 제2 단위층들을 포함하며, 인접한 제2 단위층들이 서로 다른 에너지 밴드갭을 갖도록 배열된 적어도 하나의 전자 수용 영역(electron accumulation region)을 포함할 수 있다.
일 예로, 상기 복수의 제2 단위층들은 제1 층과 상기 제1 층보다 작은 에너지 밴드갭을 갖는 제2 층을 포함할 수 있다.
일 예로, 상기 복수의 제2 단위층들은 상기 제1 층보다 큰 에너지 밴드갭을 갖는 제3 층을 더 포함할 수 있다.
일 예로, 상기 제1 층, 제2 층 및 제3 층은 각각 GaN층, InGaN층 및 AlGaN층일 수 있다.
일 예로, 상기 제2 언도프 영역 및 제2 도프 영역 중 적어도 하나는 GaN/InGaN/AlGaN/InGaN/GaN의 적층 구조를 가질 수 있다.
일 예로, 상기 제2 도프 영역은 제1 도전형 도펀트로 도핑될 수 있다.
일 예로, 상기 제2 도프 영역을 이루는 단위층들의 두께는 각각 0.5 nm 이상 4.5 nm 이하일 수 있다.
일 예로, 상기 제2 언도프 영역을 이루는 단위층들의 두께는 각각 0.1 nm 이상 0.5 nm 이하일 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 반도체 발광 소자는 제1 도전형 반도체층; 상기 제1 도전형 반도체층 상에 배치되고, 복수의 양자 우물층과 복수의 양자 장벽층이 교대로 적층된 활성층; 및 상기 활성층 상에 배치되는 제2 도전형 반도체층을 포함하며, 상기 복수의 양자 장벽층 중 적어도 하나의 양자 장벽층은 언도프 영역 및 도프 영역을 포함하고, 상기 언도프 영역은 상기 복수의 양자 우물층의 에너지 밴드갭보다 작거나 같은 에너지 밴드갭을 갖는 언도프 우물층 및 상기 언도프 우물층의 양측에 상기 언도프 우물층의 에너지 밴드갭보다 큰 에너지 밴드갭을 갖는 복수의 언도프 장벽층을 포함하고, 상기 도프 영역은 상기 복수의 양자 우물층의 에너지 밴드갭보다 작거나 같은 에너지 밴드갭을 갖는 도프 우물층 및 상기 도프 우물층의 양측에 상기 도프 우물층의 에너지 밴드갭보다 큰 에너지 밴드갭을 갖는 도프 장벽층을 포함하고, 상기 언도프 영역의 두께는 상기 도프 영역의 두께보다 크거나 같을 수 있다.
일 예로, 상기 도프 영역은 상기 제2 도전형 반도체층에 접할 수 있고, 제2 도전형 도펀트로 도핑될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 반도체 발광 소자는 n형 반도체층; 상기 n형 반도체층 상에 배치되고, 적어도 한번 이상 양자 우물층과 양자 장벽층이 교대로 적층된 활성층; 및 상기 활성층 상에 배치되는 p형 반도체층을 포함하며, 상기 양자 장벽층은 언도프 영역 및 도프 영역을 포함하고, 상기 언도프 영역은 서로 다른 에너지 밴드갭을 갖는 복수의 언도프 장벽층 및 상기 복수의 언도프 장벽층 사이에 배치되며 상기 복수의 언도프 장벽층의 에너지 밴드갭보다 작은 에너지 밴드갭을 갖는 언도프 우물층을 포함하고, 상기 도프 영역은 서로 다른 에너지 밴드갭을 갖는 복수의 도프 장벽층 및 상기 복수의 도프 장벽층 사이에 배치되며 상기 복수의 도프 장벽층의 에너지 밴드갭보다 작은 에너지 밴드갭을 갖는 도프 우물층을 포함하고, 상기 언도프 영역의 두께는 상기 도프 영역의 두께보다 크거나 같을 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 따른 반도체 발광 소자는, 활성층의 열화를 막고 활성층 내부로 정공 및 전자의 주입 효율을 증가시켜 반도체 발광 소자의 발광 효율이 증가되는 효과가 있다.
다만, 본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시 형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 반도체 발광 소자의 단면도이다.
도 2는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 발광 소자의 에너지 밴드 다이어그램이다.
도 3은 예시적인 실시예들에 따른 반도체 발광 소자의 단면도이다.
도 4는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 발광 소자의 에너지 밴드 다이어그램이다.
도 5는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 발광 소자의 단면도이다.
도 6은 예시적인 실시예들에 따른 반도체 발광 소자의 에너지 밴드 다이어그램이다.
도 7은 예시적인 실시예들 및 비교예들에 따른 반도체 발광 소자의 발광 파장에 따른 발광 강도(emission intensity)의 변화를 나타낸 도표이다.
도 8 및 도 9는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 발광 소자를 채용한 발광 소자 패키지의 단면도이다.
도 10은 CIE1931 좌표계이다.
도 11 내지 도 12는 예시적인 실시예들에 따른 조명장치에 채용될 수 있는 광원 모듈의 다양한 예를 나타내는 평면도이다.
도 13 내지 도 15는 예시적인 실시예들에 따른 광원 모듈에 채용될 수 있는 발광 다이오드 칩의 다양한 예를 나타내는 단면도이다.
도 16은 예시적인 실시예들에 따른 조명 장치(벌브형)를 개략적으로 나타내는 분해사시도이다.
도 17은 예시적인 실시예들에 따른 조명 장치(L램프형)를 개략적으로 나타내는 분해사시도이다.
도 18은 예시적인 실시예들에 따른 조명 장치(평판형)를 개략적으로 나타내는 분해사시도이다.
도 19는 예시적인 실시예들에 따른 조명 시스템을 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 20은 도 19에 도시된 조명 시스템의 조명부의 상세 구성을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 21는 도 19에 도시된 조명 시스템의 제어방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 22는 도 19에 도시된 조명 시스템을 개략적으로 구현한 사용 예시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다.
본 실시예들은 다른 형태로 변형되거나 여러 실시예가 서로 조합될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 실시예들은 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 예를 들어, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면 상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
한편, 본 명세서에서 사용되는 "일 실시예(one example)"라는 표현은 서로 동일한 실시예를 의미하지 않으며, 각각 서로 다른 고유한 특징을 강조하여 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 그러나, 아래 설명에서 제시된 실시예들은 다른 실시예의 특징과 결합되어 구현되는 것을 배제하지 않는다. 예를 들어, 특정한 실시예에서 설명된 사항이 다른 실시예에서 설명되어 있지 않더라도, 다른 실시예에서 그 사항과 반대되거나 모순되는 설명이 없는 한, 다른 실시예에 관련된 설명으로 이해될 수 있다.
특별히 다른 설명이 없는 한, 본 명세서에서, '상(on)', '상면(upper surface)', '하(under)', '하면(lower surface)', '위 방향(upward)', '아래 방향(downward)', '측면(side surface)', '높은(high)' 및 '낮은(low)' 등의 용어는 도면을 기준으로 한 것이며, 실제로는 반도체 발광 소자가 배치되는 방향에 따라 달라질 수 있을 것이다. 또한, '상(on)'과 '아래(under)'는 '직접(directly)' 또는 '다른 구성요소를 개재하여 (indirectly)' 형성되는 것을 모두 포함한다.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 반도체 발광 소자의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 반도체 발광 소자(100)는 기판(110) 상에 순차적으로 버퍼층(120) 및 제1 도전형 반도체층(130)이 배치될 수 있다. 제1 도전형 반도체층(130)은 n형 질화물 반도체층일 수 있다. 구체적으로, 제1 도전형 반도체층(130)은 순차적으로 배치된 언도프 GaN층(132), n형 GaN 콘택층(134) 및 n형 초격자층(136)을 포함할 수 있다.
기판(110)은 질화물 반도체 단결정을 성장시키기에 적합한 기판으로서, 사파이어를 포함하는 투명한 재료를 이용하여 형성되며. 사파이어 이외에, 징크 옥사이드(zinc oxide, ZnO), 갈륨 나이트라이드(gallium nitride, GaN), 갈륨 아세나이드(gallium asenide, GaAs), 실리콘(silicon), 실리콘 카바이드(silicon carbide, SiC) 및 알루미늄 나이트라이드(AlN) 등으로 형성될 수 있다.
버퍼층(120)은, 기판(110) 상에 제1 도전형 반도체층(130)을 성장시키기 전에 기판(110)과의 격자 정합을 향상시키기 위한 층으로, 일반적으로 도핑되지 않은 GaN, InGaN, AlN, InN, AlInGaN, SiC, ZnO 중 적어도 하나 이상의 물질로 형성될 수 있으며, 이는 기판(110)의 종류 및 성장 방법 등에 따라 생략될 수도 있다.
n형 GaN 콘택층 및 n형 초격자층(134, 136)은 n형 불순물 농도 또는 각 층의 두께 또는 각 층의 성분을 변화시킨 다층(multi-layers) 구조로 형성될 수도 있다. 상기 다층 구조는, 예를 들어, GaN 조성에서 도핑 농도가 상이한 층들, 또는 GaN, InGaN, AlGaN과 같이 서로 다른 2층 이상의 층들을 포함할 수 있다. 또는, 상기 다층 구조는 불순물 농도가 서로 다른 층을 교대로 적층하거나, 두께가 서로 다른 층을 교대로 적층하여 형성할 수 있다.
제1 도전형 반도체층(130) 상에 활성층(140)이 배치될 수 있다. 활성층(140)은 복수의 양자 장벽층(142-2) 및 복수의 양자 우물층(142-1)이 교대로 적층된 층들(142) 및 제2 도전형 반도체층(150)에 가장 인접한 마지막 양자 장벽층(144)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 활성층(140)은 InGaN층과 GaN층 또는 AlGaN층과 GaN층이 교대로 적층된 구조를 갖는 다중 양자 우물(multi-quantum well) 구조를 가질 수 있다. 활성층(140)에서, 마지막 양자 장벽층(144)은 다른 복수의 양자 장벽층(142-2)과 구조가 상이하므로 이외의 층들(142)과 구별하여 별도의 도면 부호로 표시하였다.
양자 우물층(142-1) 및 양자 장벽층(142-2)은 Ⅲ족 질화물계 반도체층일 수 있으며, 구체적으로, 양자 우물층(142-1) 및 양자 장벽층(142-2)은 AlxInyGazN (0≤x,y,z≤1, x+y+z>0)의 조성식을 갖는 물질일 수 있다. 더욱 구체적으로, 양자 우물층(142-1)은 InGaN층이고 양자 장벽층(142-2)은 GaN층일 수 있다.
상기 마지막 양자 장벽층(144)은 제1 언도프 영역(undoped region)(144u) 및 상기 제1 언도프 영역(144u) 상에 배치되는 제1 도프 영역(doped region)(144d)을 포함할 수 있다.
제1 언도프 영역(144u)은 각각 서로 다른 에너지 밴드갭을 갖는 복수의 제1 단위층들(u1a, u2a)이 교대로 배치되어 이루어질 수 있다. 구체적으로, 복수의 제1 단위층들(u1a, u2a)은 제1 언도프 영역(144u)의 제1 층(u1a)과 상기 제1 층(u1a)보다 작은 에너지 밴드갭을 갖는 제1 언도프 영역(144u)의 제2 층(u2a)을 포함할 수 있다. 두 개의 제1 언도프 영역(144u)의 제1 층들(u1a) 사이에 제1 언도프 영역(144u)의 제2 층(u2a)이 배치됨으로써, 두 개의 제1 언도프 영역(144u)의 제1 층들(u1a) 사이의 영역은 정공을 가둘 수 있는 정공 수용 영역(hole accumulation region)이 될 수 있다.
제1 도프 영역(144d)은 각각 서로 다른 에너지 밴드갭을 갖는 복수의 제1 단위층들(d1a, d2a)이 교대로 배치되어 이루어질 수 있다. 구체적으로, 복수의 제1 단위층들(d1a, d2a)은 제1 도프 영역(144d)의 제1 층(d1a)과 상기 제1 층(d1a)보다 작은 에너지 밴드갭을 갖는 제1 도프 영역(144d)의 제2 층(d2a)을 포함할 수 있다. 두 개의 제1 도프 영역(144d)의 제1 층들(d1a) 사이에 제1 도프 영역(144d)의 제2 층(d2a)이 배치됨으로써, 두 개의 제1 도프 영역(144d)의 제1 층들(d1a) 사이의 영역은 정공을 가둘 수 있는 정공 수용 영역이 될 수 있다.
마지막 양자 장벽층(144)의 두께는 양자 장벽층(142-2)의 두께보다 두꺼울 수 있다. 즉, 복수의 제1 단위층들(u1a, u2a, d1a, d2a)의 각 층의 두께의 합은 양자 장벽층(142-2)의 두께보다 두꺼울 수 있다. 따라서, 활성층(140)을 성장시킨 후 제2 도전형 반도체층(150)을 고온에서 성장시킬 때 그 열에너지가 활성층(140)으로 전달되는 것을 차단할 수 있다. 또한, 제2 도전형 반도체층(150)에 존재하는 제2 도전형 도펀트가 활성층(140) 내부로 과잉 확산되어 활성층을 열화시키는 것을 방지할 수 있다. 상기 제2 도전형 도펀트는 p형 도펀트일 수 있으며, 구체적으로, 마그네슘(Mg)일 수 있다.
제1 도프 영역(144d)의 두께는 제1 언도프 영역(144u)의 두께보다 두껍거나 같을 수 있다. 구체적으로, 제1 도프 영역(144d)을 이루는 층들의 두께는 각각 0.5 nm 이상 4.5 nm 이하일 수 있고, 제1 언도프 영역(144u)을 이루는 층들의 두께는 각각 0.1 nm 이상 0.5 nm 이하일 수 있다. 제1 도프 영역(144d)은 제2 도전형 도펀트로 도핑될 수 있다. 상기 제2 도전형 도펀트는 p형 도펀트일 수 있으며, 구체적으로, 마그네슘(Mg)일 수 있다. 제2 도전형 도펀트는 활성층(140) 내부로 과잉 확산되면 활성층(140)을 열화시키지만, 제2 도전형 도펀트는 정공 운반자(hole carrier)의 기능을 하기 때문에 활성층(140) 내부로 제2 도전형 도펀트가 적절히 확산되면 제2 도전형 도펀트가 활성층(140)으로 정공의 주입을 원활하게 할 수 있다. 따라서, 제1 도프 영역(144d)의 두께를 제1 언도프 영역(144u)의 두께보다 두껍거나 같도록 한다면, 제2 도전형 도펀트의 확산이 적절하게 조절되어 활성층(140)이 열화되지 않으면서 활성층(140)으로의 정공의 주입이 증가할 수 있다.
복수의 제1 단위층들(u1a, u2a, d1a, d2a)은, 예를 들어, AlxInyGazN (0≤x,y,z≤1, x+y+z>0)의 조성식을 갖는 물질일 수 있다. 구체적으로, 제1 층(u1a, d1a)은 GaN층이고 제2 층(u2a, d2a)은 InGaN층일 수 있다.
도 2는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 발광 소자의 에너지 밴드 다이어그램이다.
도 2를 참조하면, 제1 도전형 반도체층(130), 제2 도전형 반도체층(150), 양자 우물층(142-1), 양자 장벽층(142-2) 및 마지막 양자 장벽층(144)에 대한 에너지 밴드 다이어그램이 도시되어 있다. 제1 언도프 영역(144u)에서 각각 두 개의 제1 언도프 영역(144u)의 제1 층들(u1a) 사이에 상기 제1 층(u1a)의 에너지 밴드갭보다 작은 에너지 밴드갭을 갖는 제1 언도프 영역(144u)의 제2 층(u2a)이 배치될 수 있다. 제1 언도프 영역(144u)의 제1 층들(u1a) 사이의 영역은 정공(H)을 가두어 놓았다가 이를 활성층(140) 내부로 공급하는 역할을 할 수 있다. 제1 도프 영역(144d)에서 각각 두 개의 제1 도프 영역(144d)의 제1 층들(d1a) 사이에 상기 제1 층(d1a)의 에너지 밴드갭보다 작은 에너지 밴드갭을 갖는 제1 도프 영역(144d)의 제2 층(d2a)이 배치될 수 있다. 제1 도프 영역(144d)의 제1 층들(d1a) 사이의 영역은 정공(H)을 가두어 놓았다가 이를 활성층(140) 내부로 공급하는 역할을 할 수 있다. 마지막 양자 장벽층(144)의 두께가 두꺼워짐에 따라 활성층(140)으로의 정공(H)의 주입 효율이 감소할 수 있는데, 마지막 양자 장벽층(144)이 위와 같은 에너지 밴드 구조를 가짐으로 인하여 마지막 양자 장벽층(144)의 두께가 두꺼워져도 활성층(140) 내부로 주입되는 정공(H)의 양이 지나치게 감소하는 것을 막을 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 활성층(140) 상에 제2 도전형 반도체층(150)이 배치될 수 있다. 제2 도전형 반도체층(150)은 p형 질화물 반도체층일 수 있다. 구체적으로, 제2 도전형 반도체층(150)은 순차적으로 배치된 p형 초격자층(152), p형 GaN층(154) 및 p형 콘택층(156)을 포함할 수 있다.
p형 GaN층 및 p형 콘택층(154, 156)은 p형 불순물 농도 또는 각 층의 두께 또는 각 층의 성분을 변화시킨 다층으로 형성될 수도 있다. 예를 들어, GaN 성분의 도핑 농도를 변화시켜 여러 층으로 만들 수도 있고, 또는 GaN, InGaN, AlGaN의 성분이 서로 다른 층을 2층 이상 적층하거나 불순물 농도가 서로 다른 층을 반복하거나, 두께가 서로 다른 층을 반복하거나 하여 p형의 다층을 형성할 수 있다.
마지막 양자 장벽층(144)은 별도의 전자 차단층(electron blocking layer)이 개재되지 않고 제2 도전형 반도체층(150)에 접할 수 있다. 즉, 마지막 양자 장벽층(144)은 활성층(140)으로 열에너지가 전달되는 것을 막고 활성층(140)으로 정공이 주입되는 효율을 증가시킬 뿐만 아니라, 전자의 오버플로우(overflow)를 방지하는 전자 차단층의 기능을 동시에 수행할 수 있다. 따라서, 전자 차단층이 존재함으로 인하여 발광 소자의 동작 전압이 상승하는 효과를 방지할 수 있다.
제2 도전형 반도체층(150) 상에 투명 전극층(160) 및/또는 제2 전극(174)이 배치될 수 있다. 또한, 메사 에칭되어 노출된 제1 도전형 반도체층(130) 영역에 제1 전극(172)이 배치될 수 있다. 제2 도전형 반도체층(150) 및 활성층(140)은 비아를 포함하고 상기 비아를 통하여 제1 도전형 반도체층(130)과 접속되는 전극이 배치될 수 있다(도 14 참조). 여기서 비아의 반경은 5 ㎛ 내지 50 ㎛의 범위이고 비아의 개수는 3개 내지 300개일 수 있다.
투명 전극층(160)의 재료로는 ITO 또는 ZnO와 같은 금속 산화물계, 또는 그래핀계가 사용될 수 있다. 플립 칩 구조의 반도체 발광 소자인 경우, 상기 투명 전극은 반사 전극으로 대체될 수 있으며 반사 전극으로는 은(Ag), 알루미늄(Al)과 같은 금속, TiO2와 SiO2 페어(pair)가 적층된 복수층으로 구성된 분산 브래그 반사기(distributed Bragg reflector, DBR), 또는 SiO2와 Ta2O5 페어가 적층된 복수층으로 구성된 분산 브래그 반사기가 사용될 수 있다.
도 3은 예시적인 실시예들에 따른 반도체 발광 소자의 단면도이다. 이하, 도 1과 중복되는 내용의 설명은 생략한다.
도 3을 참조하면, 반도체 발광 소자(200)는 기판(210) 상에 순차적으로 버퍼층(220) 및 제1 도전형 반도체층(230)이 배치될 수 있다. 제1 도전형 반도체층(230)은 n형 질화물 반도체층일 수 있다. 구체적으로, 제1 도전형 반도체층(230)은 순차적으로 배치된 언도프 GaN층(232), n형 GaN 콘택층(234) 및 n형 초격자층(236)을 포함할 수 있다.
상기 기판(210), 버퍼층(220) 및 제1 도전형 반도체층(230)은 각각 도 1에 도시된 반도체 발광 소자(100)의 기판(110), 버퍼층(120) 및 제1 도전형 반도체층(130)과 동일한 물질일 수 있다.
제1 도전형 반도체층(230) 상에 활성층(240)이 배치될 수 있다. 활성층(240)은 복수의 양자 장벽층(242-2) 및 복수의 양자 우물층(242-1)이 교대로 적층된 층들(242) 및 제2 도전형 반도체층(250)에 가장 인접한 마지막 양자 장벽층(244)을 포함할 수 있다. 상기 복수의 양자 우물층(242-1) 및 양자 장벽층(242-2)은 각각 도 1에 도시된 반도체 발광 소자(100)의 복수의 양자 우물층(142-1) 및 양자 장벽층(142-2)과 동일한 물질일 수 있다.
상기 마지막 양자 장벽층(244)은 제1 언도프 영역(undoped region)(244u) 및 상기 제1 언도프 영역(244u) 상에 배치되는 제1 도프 영역(doped region)(244d)을 포함할 수 있다.
제1 언도프 영역(244u)은 각각 서로 다른 에너지 밴드갭을 갖는 복수의 제1 단위층들(u1b, u2b, u3b)이 교대로 배치되어 이루어질 수 있다. 구체적으로, 복수의 제1 단위층들(u1b, u2b, u3b)은 제1 언도프 영역(244u)의 제1 층(u1b), 상기 제1 층(u1b)보다 작은 에너지 밴드갭을 갖는 제1 언도프 영역(244u)의 제2 층(u2b) 및 상기 제1 층(u1b)보다 큰 에너지 밴드갭을 갖는 제1 언도프 영역(244u)의 제3 층(u3b)을 포함할 수 있다. 제1 언도프 영역(244u)의 제1 층(u1b)과 제3 층(u3b) 사이에 제1 언도프 영역(244u)의 제2 층(u2b)이 배치됨으로써, 제1 언도프 영역(244u)의 제1 층(u1b)과 제3 층(u3b) 사이의 영역은 정공을 가둘 수 있는 정공 수용 영역이 될 수 있다.
제1 도프 영역(244d)은 각각 서로 다른 에너지 밴드갭을 갖는 복수의 제1 단위층들(d1b, d2b, d3b)이 교대로 배치되어 이루어질 수 있다. 구체적으로, 복수의 제1 단위층들(d1b, d2b, d3b)은 제1 도프 영역(244d)의 제1 층(d1b), 상기 제1 층(d1b)보다 작은 에너지 밴드갭을 갖는 제1 도프 영역(244d)의 제2 층(d2b) 및 상기 제1 층(d1b)보다 큰 에너지 밴드갭을 갖는 제1 도프 영역(244d)의 제3 층(d3b)을 포함할 수 있다. 제1 도프 영역(244d)의 제1 층(d1b)과 제3 층(d3b) 사이에 제1 도프 영역(244d)의 제2 층(d2b)이 배치됨으로써, 제1 도프 영역(244d)의 제1 층(d1b)과 제3 층(d3b) 사이의 영역은 정공을 가둘 수 있는 정공 수용 영역이 될 수 있다.
마지막 양자 장벽층(244)의 두께는 양자 장벽층(242-2)의 두께보다 두꺼울 수 있다. 즉, 복수의 제1 단위층들(u1b, u2b, u3b, d1b, d2b, d3b)의 각 층의 두께의 합은 양자 장벽층(242-2)의 두께보다 두꺼울 수 있다.
제1 도프 영역(244d)의 두께는 제1 언도프 영역(244u)의 두께보다 두껍거나 같을 수 있다. 구체적으로, 제1 도프 영역(244d)을 이루는 층들의 두께는 각각 0.5 nm 이상 4.5 nm 이하일 수 있고, 제1 언도프 영역(244u)을 이루는 층들의 두께는 각각 0.1 nm 이상 0.5 nm 이하일 수 있다. 제1 도프 영역(244d)은 제2 도전형 도펀트로 도핑될 수 있다.
복수의 제1 단위층들(u1b, u2b, u3b, d1b, d2b, d3b)은 도 1에 도시된 반도체 발광 소자(100)의 복수의 제1 단위층들(u1a, u2a, d1a, d2a)과 동일한 물질일 수 있다.
도 4는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 발광 소자의 에너지 밴드 다이어그램이다.
도 4를 참조하면, 제1 도전형 반도체층(230), 제2 도전형 반도체층(250), 양자 우물층(242-1), 양자 장벽층(242-2) 및 마지막 양자 장벽층(244)에 대한 에너지 밴드 다이어그램이 도시되어 있다. 제1 언도프 영역(244u)은 각각 제1 언도프 영역(244u)의 제1 층(u1b)과 제3 층(u3b) 사이에 제1 언도프 영역(244u)의 제1 층(u1b) 및 제3 층(u3b)의 에너지 밴드갭보다 작은 에너지 밴드갭을 갖는 제1 언도프 영역(244u)의 제2 층(u2b)이 배치될 수 있다. 제1 언도프 영역(244u)의 제3 층(u3b)의 에너지 밴드갭은 제1 언도프 영역(244u)의 제1 층(u1b)의 에너지 밴드갭보다 클 수 있다. 제1 언도프 영역(244u)의 제1 층(u1b)과 제3 층(u3b) 사이의 영역은 정공(H)을 가두어 놓았다가 이를 활성층(240) 내부로 공급하는 역할을 할 수 있다. 제1 도프 영역(244d)은 각각 제1 도프 영역(244d)의 제1 층(d1b)과 제3 층(d3b) 사이에 제1 도프 영역(244d)의 제1 층(d1b) 및 제3 층(d3b)의 에너지 밴드갭보다 작은 에너지 밴드갭을 갖는 제1 도프 영역(244d)의 제2 층(d2b)이 배치될 수 있다. 제1 도프 영역(244d)의 제3 층(d3b)의 에너지 밴드갭은 제1 도프 영역(244d)의 제1 층(d1b)의 에너지 밴드갭보다 클 수 있다. 제1 도프 영역(244d)의 제1 층(d1b)과 제3 층(d3b) 사이의 영역은 정공(H)을 가두어 놓았다가 이를 활성층(240) 내부로 공급하는 역할을 할 수 있다.
다시 도 3을 참조하면, 활성층(240) 상에 제2 도전형 반도체층(250)이 배치될 수 있다. 제2 도전형 반도체층(250)은 순차적으로 배치된 p형 초격자층(252), p형 GaN층(254) 및 p형 콘택층(256)을 포함할 수 있다. 제2 도전형 반도체층(250)은 도 1에 도시된 반도체 발광 소자(100)의 제2 도전형 반도체층(150)과 동일한 물질일 수 있다.
마지막 양자 장벽층(244)은 별도의 전자 차단층이 개재되지 않고 제2 도전형 반도체층(250)에 접할 수 있다.
제2 도전형 반도체층(250) 상에 투명 전극층(260) 및/또는 제2 전극(274)이 배치될 수 있다. 또한, 메사 에칭되어 노출된 제1 도전형 반도체층(230) 영역에 제1 전극(272)이 배치될 수 있다. 제2 도전형 반도체층(250) 및 활성층(240)은 비아를 포함하고 상기 비아를 통하여 제1 도전형 반도체층(230)과 접속되는 전극이 배치될 수 있다(도 14 참조).
투명 전극층(260), 제1 전극(272) 및 제2 전극(274)은 각각 도 1에 도시된 반도체 발광 소자(100)의 투명 전극층(160), 제1 전극(172) 및 제2 전극(174)과 동일한 물질일 수 있다.
도 5는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 발광 소자의 단면도이다. 이하, 도 1과 중복되는 내용의 설명은 생략한다.
도 5를 참조하면, 반도체 발광 소자(300)는 기판(310) 상에 순차적으로 버퍼층(320) 및 제1 도전형 반도체층(330)이 배치될 수 있다. 제1 도전형 반도체층(330)은 n형 질화물 반도체층일 수 있다. 구체적으로, 제1 도전형 반도체층(330)은 순차적으로 배치된 언도프 GaN층(332), n형 GaN 콘택층(334) 및 n형 초격자층(336)을 포함할 수 있다.
상기 기판(310), 버퍼층(320) 및 제1 도전형 반도체층(330)은 각각 도 1에 도시된 반도체 발광 소자(100)의 기판(110), 버퍼층(120) 및 제1 도전형 반도체층(130)과 동일한 물질일 수 있다.
제1 도전형 반도체층(330) 상에 활성층(340)이 배치될 수 있다. 활성층(340)은 복수의 양자 장벽층(342-2), 복수의 양자 우물층(342-1), 제2 도전형 반도체층(350)에 가장 인접한 마지막 양자 장벽층(344), 양측에 양자 우물층(342-1)이 배치되고 전자 수용 영역(electron accumulation region)을 포함하는 적어도 하나의 내부 양자 장벽층(interior quantum barrier)(346)을 포함할 수 있다. 상기 복수의 양자 우물층(342-1) 및 양자 장벽층(342-2)은 각각 도 1에 도시된 반도체 발광 소자(100)의 복수의 양자 우물층(142-1) 및 양자 장벽층(142-2)과 동일한 물질일 수 있다.
상기 마지막 양자 장벽층(344)은 제1 언도프 영역(undoped region)(344u) 및 상기 제1 언도프 영역(344u) 상에 배치되는 제1 도프 영역(doped region)(344d)을 포함할 수 있다.
제1 언도프 영역(344u)은 각각 서로 다른 에너지 밴드갭을 갖는 복수의 제1 단위층들(u1c, u2c)이 교대로 배치되어 이루어질 수 있다. 구체적으로, 복수의 제1 단위층들(u1c, u2c)은 제1 언도프 영역(344u)의 제1 층(u1c)과 상기 제1 층(u1c)보다 작은 에너지 밴드갭을 갖는 제1 언도프 영역(344u)의 제2 층(u2c)을 포함할 수 있다. 두 개의 제1 언도프 영역(344u)의 제1 층들(u1c) 사이에 제1 언도프 영역(344u)의 제2 층(u2c)이 배치됨으로써, 두 개의 제1 언도프 영역(344u)의 제1 층들(u1c) 사이의 영역은 정공을 가둘 수 있는 정공 수용 영역이 될 수 있다.
제1 도프 영역(344d)은 각각 서로 다른 에너지 밴드갭을 갖는 복수의 제1 단위층들(d1c, d2c)이 교대로 배치되어 이루어질 수 있다. 구체적으로, 복수의 제1 단위층들(d1c, d2c)은 제1 도프 영역(344d)의 제1 층(d1c)과 상기 제1 층(d1c)보다 작은 에너지 밴드갭을 갖는 제1 도프 영역(344d)의 제2 층(d2c)을 포함할 수 있다. 두 개의 제1 도프 영역(344d)의 제1 층들(d1c) 사이에 제1 도프 영역(344d)의 제2 층(d2c)이 배치됨으로써, 두 개의 제1 도프 영역(344d)의 제1 층들(d1c) 사이의 영역은 정공을 가둘 수 있는 정공 수용 영역이 될 수 있다.
마지막 양자 장벽층(344)의 두께는 양자 장벽층(342-2)의 두께보다 두꺼울 수 있다. 즉, 복수의 제1 단위층들(u1c, u2c, d1c, d2c)의 각 층의 두께의 합은 양자 장벽층(342-2)의 두께보다 두꺼울 수 있다.
제1 도프 영역(344d)의 두께는 제1 언도프 영역(344u)의 두께보다 두껍거나 같을 수 있다. 구체적으로, 제1 도프 영역(344d)을 이루는 층들의 두께는 각각 0.5 nm 이상 4.5 nm 이하일 수 있고, 제1 언도프 영역(344u)을 이루는 층들의 두께는 각각 0.1 nm 이상 0.5 nm 이하일 수 있다. 제1 도프 영역(344d)은 제2 도전형 도펀트로 도핑될 수 있다.
복수의 제1 단위층들(u1c, u2c, d1c, d2c)은 도 1에 도시된 반도체 발광 소자(100)의 복수의 제1 단위층들(u1a, u2a, d1a, d2a)과 동일한 물질일 수 있다.
상기 내부 양자 장벽층(346)은 제2 도프 영역(doped region)(346d) 및 상기 제2 도프 영역(346d) 상에 배치되는 제2 언도프 영역(undoped region)(346u)을 포함할 수 있다. 제2 도프 영역(346d)은 제1 도전형 도펀트로 도핑될 수 있다. 제1 도전형 도펀트는 n형 도펀트일 수 있다.
제2 언도프 영역(346u)은 각각 서로 다른 에너지 밴드갭을 갖는 복수의 제2 단위층들(u1d, u2d)이 교대로 배치되어 이루어질 수 있다. 구체적으로, 복수의 제2 단위층들(u1d, u2d)은 제2 언도프 영역(346u)의 제1 층(u1d)과 상기 제1 층(u1d)보다 작은 에너지 밴드갭을 갖는 제2 언도프 영역(346u)의 제2 층(u2d)을 포함할 수 있다. 두 개의 제2 언도프 영역의 제1 층들(u1d) 사이에 제2 언도프 영역(346u)의 제2 층(u2d)이 배치됨으로써, 두 개의 제2 언도프 영역(346u)의 제1 층들(u1d) 사이의 영역은 전자를 가둘 수 있는 전자 수용 영역(electron accumulation region)이 될 수 있다.
제2 도프 영역(346d)은 각각 서로 다른 에너지 밴드갭을 갖는 복수의 제2 단위층들(d1d, d2d)이 교대로 배치되어 이루어질 수 있다. 구체적으로, 복수의 제2 단위층들(d1d, d2d)은 제2 도프 영역(346d)의 제1 층(d1d)과 상기 제1 층(d1d)보다 작은 에너지 밴드갭을 갖는 제2 도프 영역(346d)의 제2 층(d2d)을 포함할 수 있다. 두 개의 제2 도프 영역의 제1 층들(d1d) 사이에 제2 도프 영역(346d)의 제2 층(d2d)이 배치됨으로써, 두 개의 제2 도프 영역(346d)의 제1 층들(d1d) 사이의 영역은 전자를 가둘 수 있는 전자 수용 영역(electron accumulation region)이 될 수 있다.
내부 양자 장벽층(346)의 두께는 양자 장벽층(342-2)의 두께보다 두꺼울 수 있다. 즉, 복수의 제2 단위층들(u1d, u2d, d1d, d2d)의 각 층의 두께의 합은 양자 장벽층(342-2)의 두께보다 두꺼울 수 있다. 따라서, 정공보다 상대적으로 빠른 전자의 이동도(mobility)로 인한 전자의 오버플로우(overflow)를 방지할 수 있다.
제2 도프 영역(346d)의 두께는 제2 언도프 영역(346u)의 두께보다 두껍거나 같을 수 있다. 구체적으로, 제2 도프 영역(346d)을 이루는 층들의 두께는 각각 0.5 nm 이상 4.5 nm 이하일 수 있고, 제2 언도프 영역(346u)을 이루는 층들의 두께는 각각 0.1 nm 이상 0.5 nm 이하일 수 있다.
복수의 제2 단위층들(u1d, u2d, d1d, d2d)은, 예를 들어, AlxInyGazN (0≤x,y,z≤1, x+y+z>0)의 조성식을 갖는 물질일 수 있다. 구체적으로, 제1 층(u1d, d1d)은 GaN층이고 제2 층(u2d, d2d)은 InGaN층일 수 있다.
도 6은 예시적인 실시예들에 따른 반도체 발광 소자의 에너지 밴드 다이어그램이다.
도 6을 참조하면, 제1 도전형 반도체층(330), 제2 도전형 반도체층(350), 양자 우물층(342-1), 양자 장벽층(342-2), 마지막 양자 장벽층(344) 및 내부 양자 장벽층(346)에 대한 에너지 밴드 다이어그램이 도시되어 있다.
제1 언도프 영역(344u)은 각각 두 개의 제1 언도프 영역(344u)의 제1 층들(u1c) 사이에 상기 제1 층(u1c)의 에너지 밴드갭보다 작은 에너지 밴드갭을 갖는 제1 언도프 영역(344u)의 제2 층(u2c)이 배치될 수 있다. 제1 언도프 영역(344u)의 제1 층들(u1c) 사이의 영역은 정공(H)을 가두어 놓았다가 이를 활성층(340) 내부로 공급하는 역할을 할 수 있다.
제1 도프 영역(344d)은 각각 두 개의 제1 도프 영역(344d)의 제1 층들(d1c) 사이에 상기 제1 층(d1c)의 에너지 밴드갭보다 작은 에너지 밴드갭을 갖는 제1 도프 영역(344d)의 제2 층(d2c)이 배치될 수 있다. 제1 도프 영역(344d)의 제1 층들(u1c) 사이의 영역은 정공(H)을 가두어 놓았다가 이를 활성층(340) 내부로 공급하는 역할을 할 수 있다.
제2 언도프 영역(346u)은 각각 두 개의 제2 언도프 영역(346u)의 제1 층들(u1d) 사이에 상기 제1 층(u1d)의 에너지 밴드갭보다 작은 에너지 밴드갭을 갖는 제2 언도프 영역(344u)의 제2 층(u2d)이 배치될 수 있다. 제2 언도프 영역(346u)의 제1 층들(u1d) 사이의 영역은 전자(e)를 가두어 놓았다가 이를 활성층(340) 내부로 공급하는 역할을 할 수 있다.
제2 도프 영역(346d)은 각각 두 개의 제2 도프 영역(346d)의 제1 층들(d1d) 사이에 상기 제1 층(d1d)의 에너지 밴드갭보다 작은 에너지 밴드갭을 갖는 제2 도프 영역(346d)의 제2 층(d2d)이 배치될 수 있다. 제2 도프 영역(346d)의 제1 층들(d1d) 사이의 영역은 전자(e)를 가두어 놓았다가 이를 활성층(340) 내부로 공급하는 역할을 할 수 있다.
다시 도 5를 참조하면, 활성층(340) 상에 제2 도전형 반도체층(350)이 배치될 수 있다. 제2 도전형 반도체층(350)은 p형 질화물 반도체층일 수 있다. 구체적으로, 제2 도전형 반도체층(350)은 순차적으로 배치된 p형 초격자층(352), p형 GaN층(354) 및 p형 콘택층(356)을 포함할 수 있다. 제2 도전형 반도체층(350)은 도 1에 도시된 반도체 발광 소자(100)의 제2 도전형 반도체층(150)과 동일한 물질일 수 있다.
제2 도전형 반도체층(350) 상에 투명 전극층(360) 및/또는 제2 전극(374)이 배치될 수 있다. 또한, 메사 에칭되어 노출된 제1 도전형 반도체층(330) 영역에 제1 전극(372)이 배치될 수 있다. 제2 도전형 반도체층(350) 및 활성층(340)은 비아를 포함하고 상기 비아를 통하여 제1 도전형 반도체층(330)과 접속되는 전극이 배치될 수 있다. 여기서 비아의 반경은 5 ㎛ 내지 50 ㎛의 범위이고 비아의 개수는 3개 내지 300개일 수 있다.
투명 전극층(360), 제1 전극(372) 및 제2 전극(374)은 각각 도 1에 도시된 반도체 발광 소자(100)의 투명 전극층(160), 제1 전극(172) 및 제2 전극(174)과 동일한 물질일 수 있다.
도 7은 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 3에서 반도체 발광 소자의 발광 파장에 따른 발광 강도(emission intensity)의 변화를 전산 모사하여 나타낸 그래프이다.
실시예 1은 도 1에 도시된 반도체 발광 소자(100)에서, 마지막 양자 장벽층(144)과 제2 도전형 반도체층(150) 사이에 전자 차단층이 개재된 것이다. 실시예 2는 도 1에 도시된 반도체 발광 소자(100)이다. 실시예 3은 도 5에 도시된 반도체 발광 소자(300)에서 마지막 양자 장벽층(344)을 제외한 모든 양자 장벽층을 내부 양자 장벽층(346)으로 대체한 것이다. 비교예 1은 도 1에 도시된 반도체 발광 소자(100)에서 마지막 양자 장벽층(144)을 양자 장벽층(142-1)으로 대체하고 마지막 양자 장벽층(144)과 제2 도전형 반도체층(150) 사이에 전자 차단층을 개재한 것이다. 비교예 2는 도 1에 도시된 반도체 발광 소자(100)에서 마지막 양자 장벽층(144)을 양자 장벽층(142-1)으로 대체한 것이다.
도 7을 참조하면, 마지막 양자 장벽층(144)(도 1 참조)을 채용한 실시예 1 내지 3의 발광 강도가 마지막 양자 장벽층(144)(도 1 참조)을 채용하지 않은 비교예 1 내지 2 보다 높은 것을 보여준다. 또한, 실시예 3은 내부 양자 장벽층(346)(도 5 참조)을 더 포함하면 발광 강도가 더욱 향상됨을 보여준다.
다음 표 1은 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 2의 발광 강도(emission intensity) 및 동작 전압을 전산 모사한 결과를 나타낸 것이다.
비교예 1 비교예 2 실시예 1 실시예 2 실시예 3
발광 강도(A.U.) 3.96 3.75 4.25 4.23 5.90
동작 전압 (V) 3.412 3.355 3.365 3.302 3.360
표 1에서 실시예 1과 실시예 2를 비교하면, 마지막 양자 장벽층(144)(도 1 참조)을 채용하면 발광 강도가 비교예 1 내지 2보다 증가하면서 전자 차단층을 채용하지 않은 실시예 2는 실시예 1보다 동작 전압을 낮출 수 있다는 것을 보여준다. 따라서, 마지막 양자 장벽층(144)(도 1 참조)을 채용하면 발광 강도의 증가와 동작 전압 저하의 효과가 동시에 나타난다는 것을 보여준다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자가 발광 소자 패키지에 채용되는 것을 개략적으로 나타내고 있다.
도 8을 참조하면, 발광 소자 패키지(400)는 반사컵(421)을 갖는 몸체(420) 내에 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자(410)가 실장된 패키지 구조를 가질 수 있다.
몸체(420)는 발광 소자(410)가 실장되어 지지되는 베이스 부재에 해당하며, 광 반사율이 높은 백색 성형 복합재(molding compound)로 이루어질 수 있다. 이는 발광 소자(410)에서 방출되는 광을 반사시켜 외부로 방출되는 광량을 증가시키는 효과가 있다. 이러한 백색 성형 복합재는 고 내열성의 열경화성 수지 계열 또는 실리콘 수지 계열을 포함할 수 있다. 또한, 열가소성 수지 계열에 백색 안료 및 충진제, 경화제, 이형제, 산화방지제 및 접착력 향상제 등이 첨가될 수 있다. 또한, FR-4, CEM-3, 에폭시 재질 또는 세라믹 재질 등으로도 이루어질 수 있다. 또한, 알루미늄(Al)과 같은 금속 재질로 이루어지는 것도 가능하다.
몸체(420)에는 외부 전원과의 전기적 연결을 위한 리드 프레임(422)이 구비될 수 있다. 리드 프레임(422)은 전기 전도성이 우수한 재질, 예를 들어, 알루미늄, 구리 등의 금속 재질로 이루어질 수 있다. 만일, 몸체(420)가 금속 재질로 이루어지는 경우에는 몸체(420)와 리드 프레임(422) 사이에는 절연 물질이 개재될 수 있다.
몸체(420)에 구비되는 반사컵(421)은 발광 소자(410)가 실장되는 바닥면으로 리드 프레임(422)이 노출될 수 있다. 그리고, 발광 소자(410)는 노출된 리드 프레임(422)과 전기적으로 접속될 수 있다.
반사컵(421)의 몸체(420)의 상면으로 노출되는 단면의 크기는 반사컵(421)의 바닥면의 크기보다 큰 구조를 가질 수 있다. 여기서, 반사컵(421)의 몸체(420)의 상면으로 노출되는 단면은 발광 소자(400)의 발광면을 정의할 수 있다.
한편, 발광 소자(410)는 몸체(420)의 반사컵(421) 내에 형성되는 봉지재(430)에 의해 밀봉될 수 있다. 봉지재(430)에는 파장 변환 물질이 함유될 수 있다.
파장 변환 물질로는, 예컨대 상기 발광 소자(410)에서 발생된 광에 의해 여기되어 다른 파장의 광을 방출하는 형광체가 적어도 1종 이상 함유될 수 있다. 이를 통해 백색 광을 비롯해 다양한 색상의 광이 방출될 수 있도록 조절할 수 있다.
예를 들어, 발광 소자(410)가 청색 광을 발광하는 경우, 황색, 녹색, 적색 형광체 중 적어도 하나를 포함한 발광소자 패키지(400)는 형광체의 배합비에 따라 다양한 색 온도의 백색 광을 발광하도록 할 수 있다. 또는 발광 소자(410)에 녹색 또는 적색 형광체를 적용한 발광소자 패키지(410)는 녹색 또는 적색 광을 발광하도록 할 수 있다. 상기 백색 광을 내는 발광소자 패키지(410)와 상기 녹색 또는 적색 광을 내는 패키지를 조합하여 백색 광의 색온도 및 연색성(Color Rendering Index: CRI)을 조절할 수 있다. 또한, 보라색, 청색, 녹색, 적색 또는 적외선을 발광하는 발광소자 중 적어도 하나를 포함하여 구성할 수도 있다. 또한, 필요에 따라서는 보라색, 청색, 녹색, 적색, 오랜지색의 가시광 또는 적외선을 발생시켜 주위 분위기에 맞게 색을 조정할 수 있다. 또한, 식물 성장을 촉진할 수 있는 특수 파장의 광을 발생시킬 수도 있다.
본 실시예에서는 발광 소자 패키지(400)가 반사컵(421)을 갖는 몸체(420) 내부에 구비된 패키지 구조인 것을 예시하고 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 또한, 본 실시예에서는 발광 소자 패키지(400)가 패키지 단품인 것을 예시하고 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 예를 들어, 발광 소자 패키지(400)는 상기 발광 소자(410) 자체일 수도 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자가 발광 소자 패키지에 채용되는 것을 개략적으로 나타내고 있다. 이하, 도 8과 중복되는 내용의 설명은 생략한다.
발광 소자 패키지(500)는 상기 발광 소자(510)가 몸체(520)의 상면에 실장된 칩 온 보드(COB) 구조일 수 있다. 이 경우, 몸체(520)는 회로 배선이 형성된 회로 기판일 수 있으며, 봉지재(530)는 몸체(520)의 상면 상에 돌출되어 상기 발광 소자(510)를 덮는 렌즈 구조로 구비될 수 있다. 봉지재(530) 및 봉지재(530)에 함유되는 파장 변환 물질은 도 8에 도시된 봉지재(430)와 동일한 물질일 수 있다.
도 10은 CIE 1931 좌표계이다.
도 10을 참조하면, UV 또는 청색 발광 소자에 황색, 녹색, 적색 형광체를 적용한 발광 소자, 또는 UV 또는 청색 발광 소자에 녹색 및 적색 발광 소자를 조합하여 만들어지는 발광 소자들로부터 방출되는 백색 광은 2개 이상의 피크 파장을 가질 수 있다. 도 10에서 도시하는 CIE 1931 좌표계의 (x, y) 좌표는 (0.4476, 0.4074), (0.3484, 0.3516), (0.3101, 0.3162), (0.3128, 0.3292), (0.3333, 0.3333)을 잇는 선분 상에 위치하거나 또는 상기 선분과 흑체 복사 스펙트럼으로 둘러싸인 영역에 위치할 수 있다. 상기 백색 광의 색 온도는 2,000 K ~ 20,000 K사이에 해당한다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 조명장치에 채용될 수 있는 광원 모듈을 도시한 것이다.
도 11을 참조하면, 색 온도 4,000 K 백색 발광 소자 패키지(W1), 색 온도 3,000 K인 백색 발광 소자 패키지(W2) 및 적색 발광 소자 패키지(R)가 백색 발광 패키지 모듈 내에 배치되어 있다. 상기 발광 소자 패키지들을 조합하면 색 온도를 2,000 K ~ 4,000 K 범위로 조절할 수 있고, 연색성 Ra가 85 ~ 99인 백색 발광 패키지 모듈을 제조할 수 있다. 상기 모듈은 도 16의 벌브형 램프 등에 활용할 수 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 조명장치에 채용될 수 있는 광원 모듈을 도시한 것이다.
도 12를 참조하면, 색 온도 5,000 K 백색 발광 소자 패키지(W3) 및 색 온도 2,700 K인 백색 발광 소자 패키지(W4)가 백색 발광 패키지 모듈 내에 배치되어 있다. 상기 발광 소자 패키지들을 조합하면 색 온도를 2,700 K ~ 5,000 K 범위로 조절할 수 있고, 연색성 Ra가 85 ~ 99인 백색 발광 패키지 모듈을 제조할 수 있다. 상기 모듈은 도 16의 벌브형 램프 등에 활용할 수 있다.
발광 소자 패키지의 수는 기본 색 온도 설정 값에 따라 달라질 수 있다. 기본 색 온도 설정 값이 4,000 K 부근이라면, 색 온도 4,000 K에 해당하는 발광 소자 패키지의 수가 색 온도 3,000 K의 발광 소자 패키지의 수 또는 적색 발광 소자 패키지의 수보다 많도록 할 수 있다.
제1 또는 제2 도전형 반도체층 상에 형광체층 또는 양자점(quantum dot, QD) 중 어느 하나 이상이 배치될 수 있다.
형광체는 다음과 같은 조성식 및 컬러(color)를 가질 수 있다.
산화물계 : 황색 및 녹색 Y3Al5O12:Ce, Tb3Al5O12:Ce, Lu3Al5O12:Ce
실리케이트계 : 황색 및 녹색 (Ba,Sr)2SiO4:Eu, 황색 및 등색 (Ba,Sr)3SiO5:Ce
질화물계 : 녹색 β-SiAlON:Eu, 황색 La3Si6N11:Ce, 등색 α-SiAlON:Eu, 적색 CaAlSiN3:Eu, Sr2Si5N8:Eu, SrSiAl4N7:Eu, SrLiAl3N4:Eu, Ln4 -x(EuzM1 -z)xSi12- yAlyO3 +x+ yN18 -x-y (0.5≤x≤3, 0<z<0.3, 0<y≤4) (단, 여기서 Ln은 IIIa 족 원소 및 희토류 원소로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 한 종의 원소이고, M은 Ca, Ba, Sr 및 Mg로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 한 종의 원소일 수 있다.)
플루오라이드(fluoride)계 : KSF계 적색 K2SiF6:Mn4 +, K2TiF6:Mn4 +, NaYF4:Mn4 +, NaGdF4:Mn4+
형광체 조성은 기본적으로 화학양론(stoichiometry)에 부합하여야 하며, 각 원소들은 주기율표상 각 족들 내 다른 원소로 치환이 가능하다. 예를 들어 Sr은 알카리토류(II)족의 Ba, Ca, Mg 등으로, Y는 란탄계열의 Tb, Lu, Sc, Gd 등으로 치환이 가능하다. 또한, 활성제인 Eu 등은 원하는 에너지 준위에 따라 Ce, Tb, Pr, Er, Yb 등으로 치환이 가능하며, 활성제 단독 또는 특성 변형을 위해 부활성제 등이 추가로 적용될 수 있다.
또한, 형광체 대체 물질로 양자점 등의 물질들이 적용될 수 있으며, 형광체와 양자점을 혼합 또는 단독으로 사용될 수 있다.
양자점은 CdSe, InP 등의 코어(Core)(반경이 1 ~ 10 nm)와 ZnS, ZnSe 등의 셀(Shell)(두께 0.5 ~ 2 nm) 및 코어와 쉘의 안정화를 위한 리간드(ligand)의 구조로 구성될 수 있으며, 사이즈에 따라 다양한 컬러를 구현할 수 있다.
아래 표 5는 UV 발광 소자칩(200 ~ 440 nm) 또는 청색 발광 소자칩(440 ~ 480 nm)을 사용한 백색 발광 소자의 응용 분야별 형광체 종류이다.
용도 형광체
TV BLU β-SiAlON:Eu2 +, (Ca, Sr)AlSiN3:Eu2 +, La3Si6N11:Ce3 +, K2SiF6:Mn4 +, SrLiAl3N4:Eu, Ln4 -x(EuzM1 -z)xSi12- yAlyO3 +x+ yN18 -x-y(0.5≤x≤3, 0<z<0.3, 0<y≤4), K2TiF6:Mn4 +, NaYF4:Mn4 +, NaGdF4:Mn4 +
조명 Lu3Al5O12:Ce3 +, Ca-α-SiAlON:Eu2 +, La3Si6N11:Ce3 +,
(Ca, Sr)AlSiN3:Eu2 +, Y3Al5O12:Ce3 +, K2SiF6:Mn4 +, SrLiAl3N4:Eu, Ln4-x(EuzM1-z)xSi12-yAlyO3+x+yN18-x-y(0.5≤x≤3, 0<z<0.3, 0<y≤4), K2TiF6:Mn4+, NaYF4:Mn4 +, NaGdF4:Mn4 +
Side View
(Mobile, Note PC)		 Lu3Al5O12:Ce3 +, Ca-α-SiAlON:Eu2 +, La3Si6N11:Ce3 +,
(Ca, Sr)AlSiN3:Eu2 +, Y3Al5O12:Ce3 +, (Sr, Ba, Ca, Mg)2SiO4:Eu2 +, K2SiF6:Mn4+, SrLiAl3N4:Eu, Ln4 -x(EuzM1 -z)xSi12- yAlyO3 +x+ yN18 -x-y(0.5≤x≤3, 0<z<0.3, 0<y≤4), K2TiF6:Mn4 +, NaYF4:Mn4 +, NaGdF4:Mn4 +
전장
(Head Lamp, etc.)		 Lu3Al5O12:Ce3 +, Ca-α-SiAlON:Eu2 +, La3Si6N11:Ce3 +,
(Ca, Sr)AlSiN3:Eu2 +, Y3Al5O12:Ce3 +, K2SiF6:Mn4 +, SrLiAl3N4:Eu, Ln4-x(EuzM1-z)xSi12-yAlyO3+x+yN18-x-y(0.5≤x≤3, 0<z<0.3, 0<y≤4), K2TiF6:Mn4+, NaYF4:Mn4 +, NaGdF4:Mn4 +
도 13 내지 도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자의 다양한 예를 나타내는 단면도이다
도 13을 참조하면 발광 소자(600)는 성장 기판(611)상에 순차적으로 적층된 제1 도전형 반도체층(612), 활성층(613) 및 제2 도전형 반도체층(614)을 포함할 수 있다.
성장 기판(611) 상에 적층되는 제1 도전형 반도체층(612)은 n형 불순물이 도핑된 n형 질화물 반도체층일 수 있다. 그리고, 제2 도전형 반도체층(614)은 p형 불순물이 도핑된 p형 질화물 반도체층일 수 있다. 다만, 실시 형태에 따라서 제1 및 제2 도전형 반도체층(612, 614)은 위치가 바뀌어 적층될 수도 있다.
제1 및 제2 도전형 반도체층(612, 614) 사이에 배치되는 활성층(613)은 전자와 정공의 재결합에 의해 소정의 에너지를 갖는 광을 방출한다. 활성층(613)은 제1 및 제2 도전형 반도체층(612, 614)의 에너지 밴드 갭보다 작은 에너지 밴드 갭을 갖는 물질을 포함할 수 있다. 활성층(613)은 양자 우물층과 양자 장벽층이 서로 교대로 적층된 다중 양자 우물 구조가 사용될 수도 있다. 다만, 이에 제한되는 것은 아니므로 상기 활성층(613)은 단일 양자 우물 구조, 양자점, 나노 와이어(nanowire) 또는 나노 로드(nanorod)가 사용될 수도 있다.
상기 발광 소자(600)는 제1 및 제2 도전형 반도체층(612, 614)과 각각 전기적으로 접속하는 제1 및 제2 전극 패드(615a, 615b)를 구비할 수 있다. 상기 제1 및 제2 전극 패드(615a, 615b)는 동일한 방향을 향하도록 노출 및 배치될 수 있다. 그리고, 와이어 본딩 또는 플립 칩 본딩 방식으로 기판과 전기적으로 접속될 수 있다.
도 14를 참조하면, 발광 소자(700)는 성장 기판(711)상에 순차적으로 적층된 제1 도전형 반도체층(712), 활성층(713) 및 제2 도전형 반도체층(714)을 포함할 수 있다.
상기 발광 소자(700)는 제1 및 제2 도전형 반도체층(712, 714)에 각각 접속된 제1 및 제2 전극 패드(715a, 715b)를 포함한다. 제1 전극 패드(715a)는 제2 도전형 반도체층(714) 및 활성층(713)을 관통하여 제1 도전형 반도체층(712)과 접속된 도전성 비아(715a-1) 및 도전성 비아(715a-1)에 연결된 전극 연장부(715a-2)를 포함할 수 있다. 도전성 비아(715a-1)는 절연층(716)에 의해 둘러싸여 활성층(713) 및 제2 도전형 반도체층(714)과 전기적으로 분리될 수 있다. 도전성 비아(715a-1)는 반도체 적층체가 식각된 영역에 배치될 수 있다. 도전성 비아(715a-1)는 접촉 저항이 낮아지도록 개수, 형상, 피치 또는 제1 도전형 반도체층(712)과의 접촉 면적 등을 적절히 설계할 수 있다. 또한, 도전성 비아(715a-1)는 반도체 적층체 상에 행과 열을 이루도록 배열됨으로써 전류 흐름을 개선시킬 수 있다. 제2 전극 패드(715b)는 제2 도전형 반도체층(714) 상의 오믹 콘택층(715b-1) 및 전극 연장부(715b-2)를 포함할 수 있다. 상기 행과 열을 이루는 복수의 도전성 비아들이 제1 도전형 반도체층과 접촉하는 영역의 평면 상에서 차지하는 면적은 발광 적층체의 평면 전체 면적의 0.5 % 내지 20 %의 범위가 되도록 도전성 비아의 개수 및 접촉 면적이 조절될 수 있다. 상기 제1 도전형 반도체층과 접촉하는 영역의 도전성 비아의 직경(DV)은 예를 들어, 5 ㎛ 내지 50 ㎛의 범위일 수 있으며, 상기 도전성 비아의 개수는 발광 적층체 영역의 넓이에 따라, 발광 적층체 영역 당 3개 내지 300개일 수 있다. 상기 도전성 비아는 발광 적층체 영역의 넓이에 따라 다르지만 바람직하게는 4개 이상이 좋으며, 각 도전성 비아 간의 거리는 100 ㎛ 내지 500 ㎛ 범위의 행과 열을 가지는 매트릭스 구조일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 150 ㎛ 내지 450 ㎛ 범위일 수 있다. 각 도전성 비아 간의 거리가 100 ㎛보다 작으면 비아의 개수가 증가하게 되고 상대적으로 발광면적이 줄어들어 발광 효율이 작아지며, 거리가 500 ㎛보다 커지면 전류 확산이 어려워 발광 효율이 떨어지는 문제점이 있을 수 있다. 상기 도전성 비아의 깊이는 제2 도전형 반도체층 및 활성층의 두께에 따라 다르게 형성될 수 있고, 예컨대, 0.5 ㎛ 내지 5.0 ㎛의 범위일 수 있다.
도 15에 도시된 발광 소자(800)는 성장 기판(811)과, 상기 성장 기판(811) 상에 형성된 제1 도전형 베이스층(812)과, 상기 제1 도전형 베이스층(812) 상에 형성된 복수의 나노 발광구조물(817)을 포함한다. 그리고, 절연층(818) 및 충전부(819)를 더 포함할 수 있다.
나노 발광구조물(817)은 제1 도전형 반도체 코어(817a)와 그 코어(817a)의 표면에 셀(shell)층으로 순차적으로 형성된 활성층(817b) 및 제2 도전형 반도체층(817c)을 포함한다. 나노 발광구조물(817)은 코어-셀(core-shell) 구조 뿐만 아니라, 피라미드 구조와 같은 다른 구조를 가질 수 있다. 제1 도전형 반도체 베이스층(812)은 나노 발광구조물(817)의 성장면을 제공하는 층일 수 있다. 절연층(818)은 나노 발광구조물(817)의 성장을 위한 오픈 영역을 제공하며, SiO2 또는 SiNx와 같은 유전체 물질일 수 있다. 충전부(819)는 나노 발광구조물(817)을 구조적으로 안정화시킬 수 있으며, 빛을 투과 또는 반사하는 역할을 수행할 수 있다. 이와 달리, 충전부(819)가 투광성 물질을 포함하는 경우, 충전부(819)는 SiO2, SiNx, 탄성 수지, 실리콘(silicone), 에폭시 수지, 고분자 또는 플라스틱과 같은 투명한 물질로 형성될 수 있다. 필요에 따라, 충전부(819)가 반사성 물질을 포함하는 경우, 충전부(819)는 PPA(polypthalamide) 등의 고분자 물질에 고반사성을 가진 금속분말 또는 세라믹 분말이 사용될 수 있다. 고반사성 세라믹 분말로서는, TiO2, Al2O3, Nb2O5, Al2O3 및 ZnO로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나일 수 있다. 이와 달리, 고반사성 금속이 사용될 수도 있으며, Al 또는 Ag와 같은 금속일 수 있다.
제1 및 제2 전극 패드(815a, 815b)는 나노 발광구조물(817)의 하면에 배치될 수 있다. 제1 전극 패드(815a)는 제1 도전형 반도체 베이스층(812)의 노출된 상면에 위치하고, 제2 전극 패드(815b)는 나노 발광구조물(817) 및 충전부(819)의 하부에 형성되는 오믹 콘택층(815b-1) 및 전극 연장부(815b-2)를 포함한다. 이와 달리, 오믹 콘택층(815b-1)과 전극 연장부(815b-2)는 일체로 형성될 수도 있다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 조명 장치를 개략적으로 나타내고 있다.
도 16을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 조명 장치(1000)는 벌브형 램프일 수 있으며, 실내 조명용으로 사용될 수 있다. 조명 장치(1000)는 전기 연결 구조(1030)를 갖는 하우징(1020)과 상기 하우징(1020)에 장착되는 적어도 하나의 광원 모듈(1010)을 포함하여 구성될 수 있다. 그리고, 상기 하우징(1020)에 장착되어 적어도 하나의 광원 모듈(1010)을 덮는 커버(1040)를 더 포함할 수 있다.
광원 모듈(1010)은 도 6 내지 도 7의 광원 모듈과 실질적으로 동일하며, 따라서 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다. 상기 광원 모듈(1010)은 복수개가 회로 기판(1011)상에 장착될 수 있다. 광원 모듈(1010)의 개수는 필요에 따라서 다양하게 조절될 수 있다.
하우징(1020)은 광원 모듈(1010)을 지지하는 프레임으로서의 기능과, 광원 모듈(1010)에서 발생하는 열을 외부로 방출하는 히트 싱크로서의 기능을 수행할 수 있다. 이를 위해 하우징(1020)은 열전도율이 높고 견고한 재질로 이루어질 수 있으며, 예를 들어, 알루미늄(Al)과 같은 금속 재질, 방열 수지등으로 이루어질 수 있다.
하우징(1020)의 외측면에는 공기와의 접촉면적을 증가시켜 방열 효율이 향상되도록 하기 위한 복수의 방열핀(1021)이 구비될 수 있다.
하우징(1020)에는 상기 광원 모듈(1010)과 전기적으로 연결되는 전기 연결 구조(1030)가 구비된다. 상기 전기 연결 구조(1030)는 단자부(1031)와, 상기 단자부(1031)를 통해 공급되는 구동 전원을 상기 광원 모듈(1010)로 공급하는 구동부(1032)를 포함할 수 있다.
단자부(1031)는 조명 장치(1000)를, 예컨대 소켓 등에 장착하여 고정 및 전기적으로 연결될 수 있도록 한다. 본 실시예에서는 단자부(1031)가 슬라이딩 삽입되는 핀 타입의 구조를 가지는 것으로 예시하고 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 필요에 따라서 단자부(1031)는 나사산을 가져 돌려서 끼워지는 에디슨 타입의 구조를 가지는 것도 가능하다.
구동부(1032)는 외부의 구동 전원을 상기 광원 모듈을 구동시킬 수 있는 적정한 전류원으로 변환시켜 제공하는 역할을 한다. 이러한 구동부(1032)는, 예를 들어 AC-DC 컨버터, 정류회로 부품, 퓨즈 등으로 구성될 수 있다. 또한, 경우에 따라 원격 제어를 구현할 수 있는 통신 모듈을 더 포함할 수도 있다.
커버(1040)는 하우징(1020)에 장착되어 적어도 하나의 광원 모듈(1010)을 덮으며, 볼록한 렌즈 형상 또는 벌브 형상을 가질 수 있다. 커버(1040)는 광 투과성 재질로 이루어질 수 있으며, 광 분산물질을 함유할 수 있다.
도 17은 본 발명의 다른 실시예에 따른 조명 장치를 개략적으로 나타내는 분해 사시도이다.
도 17을 참조하면, 조명 장치(1100)는 일 예로서 바(bar) 타입 램프일 수 있으며, 광원 모듈(1110), 하우징(1120), 단자(1130) 및 커버(1140)를 포함하여 구성될 수 있다.
광원 모듈(1110)은 상기 도 8 내지 도 9의 발광 소자 패키지가 채용될 수 있다. 따라서, 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다. 광원 모듈(1110)은 복수개가 회로기판(1111) 상에 실장될 수 있으며, 실장되는 개수는 필요에 따라서 다양하게 조절될 수 있다.
하우징(1120)은 일면(1122)에 상기 광원 모듈(1110)을 탑재하여 고정시킬 수 있으며, 광원 모듈(1110)에서 발생되는 열을 외부로 방출시킬 수 있다. 이를 위해 하우징(1120)은 열전도율이 우수한 재질, 예컨대 금속 재질로 이루어질 수 있으며, 양 측면에는 방열을 위한 복수의 방열 핀(1121)이 돌출되어 형성될 수 있다.
광원 모듈(1110)은 복수개가 회로기판(1111) 상에 실장되어 배열된 상태로 상기 하우징(1120)의 일면(1122)에 장착될 수 있다.
커버(1140)는 광원 모듈(1110)을 덮을 수 있도록 하우징(1120)의 걸림 홈(1123)에 체결된다. 그리고, 광원 모듈(1110)에서 발생된 광이 외부로 전체적으로 균일하게 조사될 수 있도록 반원 형태의 곡면을 가질 수 있다. 커버(1140)의 바닥면에는 하우징(1120)의 걸림 홈(1123)에 맞물리는 돌기(1141)가 길이 방향을 따라서 형성될 수 있다.
단자(1130)는 하우징(1120)의 길이 방향의 양 끝단부 중 개방된 적어도 일측에 구비되어 광원 모듈(1110)에 전원을 공급할 수 있으며, 외부로 돌출된 전극 핀(1133)을 포함할 수 있다.
도 18은 본 발명의 다른 실시예에 따른 조명 장치를 개략적으로 나타내는 분해사시도이다.
도 18을 참조하면, 조명 장치(1200)는 일 예로서 면 광원 타입의 구조를 가질 수 있으며, 광원 모듈(1210), 하우징(1220), 커버(1240) 및 히트 싱크(1250)를 포함하여 구성될 수 있다.
광원 모듈(1210)은 상기 도 8 내지 도 9의 발광 소자 패키지가 채용될 수 있다. 따라서, 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다. 광원 모듈(1210)은 복수개가 회로기판(1211) 상에 실장되어 배열될 수 있다.
하우징(1220)은 광원 모듈(1210)이 탑재되는 일면(1222)과 상기 일면(1222) 둘레에서 연장되는 측면(1224)을 포함하여 박스형 구조를 가질 수 있다. 하우징(1220)은 광원 모듈(1210)에서 발생되는 열을 외부로 방출시킬 수 있도록 열전도율이 우수한 재질, 예컨대 금속 재질로 이루어질 수 있다.
하우징(1220)의 일면(1222)에는 추후 설명하는 히트 싱크(1250)가 삽입되어 체결되는 홀(1226)이 상기 일면(1222)을 관통하여 형성될 수 있다. 상기 일면(1222)에 탑재되는 광원 모듈(1210)이 실장된 회로기판(1211)은 부분적으로 상기 홀(1226)상에 걸쳐져서 외부로 노출될 수 있다.
커버(1240)는 상기 광원 모듈(1210)을 덮을 수 있도록 상기 하우징(1220)에 체결될 수 있다. 그리고, 전체적으로 편평한 구조를 가질 수 있다.
히트 싱크(1250)는 하우징(1220)의 타면(1225)을 통해 상기 홀(1226)에 체결될 수 있다. 그리고, 상기 홀(1226)을 통해 상기 광원 모듈(1210)과 접촉하여 상기 광원 모듈(1210)의 열을 외부로 방출할 수 있다. 방열 효율의 향상을 위해 상기 히트 싱크(1250)는 복수의 방열 핀(1251)을 구비할 수 있다. 상기 히트 싱크(1250)는 상기 하우징(1220)과 같이 열전도율이 우수한 재질로 이루어질 수 있다.
발광소자를 이용한 조명 장치는 그 용도에 따라 크게 실내용(indoor) 과 실외용(outdoor)으로 구분될 수 있다. 실내용 발광 소자조명 장치는 주로 기존 조명 대체용(retrofit)으로 벌브형 램프, 형광등(LED-tube), 평판형 조명 장치가 여기에 해당되며, 실외용 발광 소자조명 장치는 가로등, 보안등, 투광등, 경관등, 신호등 등이 해당된다.
또한, LED를 이용한 조명 장치는 차량용 내외부 광원으로 활용 가능하다. 내부 광원으로는 차량용 실내등, 독서등, 계기판의 각종 광원등으로 사용 가능하며, 차량용 외부 광원으로 전조등, 브레이크등, 방향지시등, 안개등, 주행등 등 모든 광원에 사용 가능하다.
아울러, 로봇 또는 각종 기계 설비에 사용되는 광원으로 발광 소자조명 장치가 적용될 수 있다. 특히, 특수한 파장대를 이용한 발광 소자조명은 식물의 성장을 촉진시키고, 감성 조명으로서 사람의 기분을 안정시키거나 병을 치료할 수도 있다.
도 19 내지 도 21를 참조하여 상술한 조명 장치를 채용한 조명 시스템을 설명한다. 본 실시 형태에 따른 조명 시스템(2000)은 주변 환경(예를 들어, 온도 및 습도)에 따라 색온도를 자동적으로 조절 가능하며, 단순한 조명의 역할이 아니라 인간의 감성을 충족시킬 수 있는 감성 조명으로써 조명 장치를 제공할 수 있다.
도 19는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 조명 시스템을 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 19를 참조하면, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 조명 시스템(2000)은 센싱부(2010), 제어부(2020), 구동부(2030) 및 조명부(2040)를 포함할 수 있다.
센싱부(2010)는 실내 또는 실외에 설치될 수 있으며, 온도센서(2011) 및 습도센서(2012)를 구비하여 주변의 온도 및 습도 중 적어도 하나의 공기 조건을 측정한다. 그리고, 센싱부(2010)는 전기적으로 접속된 제어부(2020)로 측정한 공기 조건, 즉 온도 및 습도를 전달한다.
제어부(2020)는 측정된 공기의 온도 및 습도를 사용자에 의해 미리 설정된 공기 조건(온도 및 습도 범위)과 비교하고, 그 비교 결과, 공기 조건에 상응하는 조명부(2040)의 색온도를 결정한다. 제어부(2020)는 구동부(2030)와 전기적으로 접속되며, 결정된 색온도로 조명부(2040)를 구동할 수 있도록 구동부(2030)를 제어한다. 본 실시 예에서는 온도 또는 습도 센싱에 따른 색온도 컨트롤을 설명하고 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 주변 밝기 변화에 따라서 색 온도를 컨트롤 할 수도 있다. 아침, 점심, 저녁의 실외 밝기에 따라 실내 밝기를 센싱하여 실내 조명의 색온도 및 조명의 밝기를 콘트롤 할 수도 있으며, 실내의 TV 화면의 밝기에 따라 주변 밝기를 센싱하여 조명의 색온도 및 밝기를 콘트롤 할 수도 있다.
도 20은 도 19의 조명부(2040)의 구성 요소를 도시한 것이다.
도 20을 참조하면, 조명부(2040)는 상기 구동부(2030)에서 공급하는 전원에 따라 동작한다. 조명부(2040)는 상기 도 16 내지 도 18에서 도시한 조명 장치를 적어도 하나 포함할 수 있다. 예를 들어, 조명부(2040)는 서로 다른 색온도를 갖는 제1 조명 장치(2041) 및 제2 조명 장치(2042)로 구성될 수 있으며, 각 조명 장치(2041, 2042)는 유사한 색온도를 가지는 복수의 발광소자를 구비할 수 있다.
제1 조명 장치(2041)는 제1 색온도의 백색광을 방출하며, 제2 조명 장치(2042)는 제2 색온도의 백색광을 방출하며, 제1 색온도가 제2 색온도보다 낮을 수 있다. 또는, 반대로 제1 색온도가 제2 색온도보다 높을 수도 있다. 여기서, 상대적으로 색온도가 낮은 백색은 따뜻한 백색에 해당하며 색온도는 2,000 K ~ 5,000 K 범위이고, 상대적으로 색온도가 높은 백색은 차가운 백색에 해당하며, 색온도는 5,000 K ~ 10,000 K 범위일 수 있다. 이러한 제1 및 제2 조명 장치(2041, 2042)에 전원이 공급되면, 각각 제1 및 제2 색온도를 갖는 백색광을 방출하고, 각 백색광은 서로 혼합되어 제어부에서 결정된 색온도를 갖는 백색광을 구현할 수 있다. 상기 제1 조명 장치 및 제2 조명장치를 하나의 모듈로 구성 할 수도 있다. 도 11 및 도 12에서 설명한 바와 같이 하나의 PCB기판상에 색온도가 서로 다른 복수의 백색 발광소자 및 청색, 적색 또는 녹색 발광소자를 조합하여 도 20과 같은 효과를 낼 수도 있다.
구체적으로, 제1 색온도가 제2 색온도보다 낮을 경우, 제어부에서 결정된 색온도가 상대적으로 높게 결정되면, 제1 조명 장치(2041)의 광량을 감소시키고, 제2 조명 장치(2042)의 광량을 증가시켜 혼합된 백색광이 상기 결정된 색온도가 되도록 구현할 수 있다. 반대로, 결정된 색온도가 상대적으로 낮게 결정되면, 제1 조명 장치(2041)의 광량을 증가시키고, 제2 조명 장치(2042)의 광량을 감소시켜 혼합된 백색광이 상기 결정된 색온도가 되도록 구현할 수 있다. 이때, 각 조명 장치(2041, 2042)의 광량은 전원을 조절하여 전체 발광소자의 광량을 조절하는 것에 의해 구현되거나, 구동되는 발광소자 수를 조절하는 것에 의해 구현될 수 있다.
도 21은 도 19에 도시된 조명 시스템의 제어방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 21를 참조하면, 먼저 사용자가 제어부를 통해 온도 및 습도 범위에 따른 색온도를 설정한다(S510). 설정된 온도 및 습도 데이터는 제어부에 저장된다.
일반적으로 색온도가 6,000 K 이상이면 청색 등의 체감적으로 시원한 느낌의 색상을 연출할 수 있으며, 색온도가 4,000 K 이하이면, 적색 등의 체감적으로 따뜻한 느낌의 색상을 연출할 수 있다. 따라서, 본 실시 형태에서는 사용자가 제어부를 통해 온도 및 습도가 20도 및 60 %를 넘는 경우, 조명부의 색온도가 6,000 K 이상으로 점등되도록 설정하고, 온도 및 습도가 10도 ~ 20도 및 40 % ~ 60 %인 경우, 조명부의 색온도가 4,000 ~ 6,000 K 사이로 점등되도록 설정하고, 온도 및 습도가 10도 이하 및 40% 이하인 경우, 조명부의 색온도가 4,000 K 이하로 점등되도록 설정한다. 상기 온도 또는 습도 센싱에 따른 색온도 컨트롤를 설명하고 있으나, 이외에 예를 들어 주변 밝기 변화에 따라서 색 온도를 컨트롤 할 수도 있다. 아침, 점심, 저녁의 실외 밝기에 따라 실내 밝기를 센싱하여 실내 조명의 색온도 및 조명의 밝기를 콘트롤 할 수도 있으며, 실내의 TV 화면의 밝기에 따라 주변 밝기를 센싱하여 조명의 색온도 및 밝기를 콘트롤 할 수도 있다.
다음으로, 센싱부는 주변의 온도 및 습도 중 적어도 하나의 조건을 측정한다(S520). 센싱부에서 측정된 온도 및 습도는 제어부로 전달된다.
이어서, 제어부는 센싱부로부터 전달된 측정값과 설정값을 비교한다(S530). 여기서, 측정값은 센싱부에서 측정한 온도 및 습도 데이터이며, 설정값은 사용자가 제어부에 미리 설정하여 저장된 온도 및 습도 데이터이다. 즉, 제어부는 상기 측정된 온도 및 습도와 미리 설정된 온도 및 습도를 비교한다.
비교결과, 측정값이 설정값 범위를 만족하는지 판단한다(S540). 측정값이 설정값 범위를 만족하면 현재 색온도를 유지하고, 다시 온도 및 습도를 측정한다(S520). 한편, 측정값이 설정값 범위를 만족하지 못할 경우, 측정값에 해당하는 설정값을 검출하고, 이에 해당하는 색온도를 결정한다(S550). 그리고, 제어부는 결정한 색온도로 조명부가 구동되도록 구동부를 제어한다.
그러면, 구동부는 상기 결정된 색온도가 되도록 조명부를 구동한다(S560). 즉, 구동부는 결정된 색온도를 구동하기 위해 필요한 전원을 조명부에 공급한다. 이로써, 조명부는 주변의 온도 및 습도에 따라 사용자가 미리 설정한 온도 및 습도에 해당하는 색온도로 조절될 수 있다.
이로써, 조명 시스템은 주변의 온도 및 습도 변화에 따라 자동적으로 실내 조명부의 색온도를 조절할 수 있으며, 이로써 자연 환경 변화에 따라 달라지는 인간의 감성을 충족시킬 수 있고, 또한, 심리적 안정감을 줄 수 있다.
도 22는 도 19에 도시된 조명 시스템을 개략적으로 구현한 사용 예시도이다.
도 22를 참조하면, 조명부(2040)는 실내 조명등으로써 천장에 설치될 수 있다. 이때, 센싱부(2010)는 실외의 외기 온도 및 습도를 측정하기 위해, 별도의 개별 장치로 구현되어 외부 벽에 설치될 수 있다. 그리고, 제어부(2020)는 사용자의 설정 및 확인이 용이하도록 실내에 설치될 수 있다. 하지만, 본 발명의 조명 시스템은 이에 한정되는 것은 아니며, 인테리어 조명을 대신하여 벽에 설치되거나, 스탠드등과 같이 실내외에서 사용할 수 있는 조명등에 모두 적용될 수 있다. 상기 온도 및 습도 센싱 장치는 실외 뿐만 아니라 실내의 온도 및 습도를 센싱하여 상기 실내 조명광의 특정 주파수를 이용한 가시광 통신을 통해 실내 온도 및 습도 센서 컨트롤러와 연동하여 실내를 특정 온도 및 습도 조건으로 항상 유지할 수 있도록 하여 쾌적한 실내 분위기를 유지할 수도 있다. 상기 실시 예에서는 온도 또는 습도를 센싱하는 걸로 설명하였으나 이에 한정되는 것은 아니며, 외부의 밝기(아침, 점심, 저녁) 또는 내부의 주변 밝기, 예를 들면 TV화면의 밝기를 센싱하여 실내 조명의 색온도를 컨트롤 할 수 있다.
LED를 이용한 상술한 조명 장치는 제품 형태, 장소 및 목적에 따라 광학 설계가 변할 수 있다. 예컨대, 상술한 감성 조명과 관련하여 조명의 색, 온도, 밝기 및 색상을 컨트롤하는 기술 외에 스마트폰과 같은 휴대기기를 활용한 무선(원격) 제어 기술을 이용하여 조명을 제어하는 기술을 들 수 있다.
또한, 이와 더불어 발광 소자조명 장치와 디스플레이 장치들에 통신 기능을 부가하여 발광 소자광원의 고유 목적과 통신 수단으로서의 목적을 동시에 달성하고자 하는 가시광 무선통신 기술도 가능하다. 이는 발광 소자광원이 기존의 광원들에 비해 수명이 길고 전력 효율이 우수하며 다양한 색 구현이 가능할 뿐만 아니라 디지털 통신을 위한 스위칭 속도가 빠르고 디지털 제어가 가능하다는 장점을 갖고 있기 때문이다.
가시광 무선통신 기술은 인간이 눈으로 인지할 수 있는 가시광 파장 대역의 빛을 이용하여 무선으로 정보를 전달하는 무선통신 기술이다. 이러한 가시광 무선통신 기술은 가시광 파장 대역의 빛을 이용한다는 측면에서 기존의 유선 광통신기술 및 적외선 무선통신과 구별되며, 통신 환경이 무선이라는 측면에서 유선 광통신 기술과 구별된다.
또한, 가시광 무선통신 기술은 RF 무선통신과 달리 주파수 이용 측면에서 규제 또는 허가를 받지 않고 자유롭게 이용할 수 있다는 편리성과 물리적 보안성이 우수하고 통신 링크를 사용자가 눈으로 확인할 수 있다는 차별성을 가지고 있으며, 무엇보다도 광원의 고유 목적과 통신기능을 동시에 얻을 수 있다는 융합 기술로서의 특징을 가지고 있다.
이상에서 본 발명의 실시 형태에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.
100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800: 반도체 발광 소자
130, 230, 330: 제1 도전형 반도체층
140, 240, 340: 활성층
144, 244, 344: 마지막 양자 장벽층
144u, 244u, 344u: 제1 언도프 영역
144d, 244d, 344d: 제1 도프 영역
346: 내부 양자 장벽층
346u: 제2 언도프 영역
346d: 제2 도프 영역
150, 250, 350: 제2 도전형 반도체층

Claims (10)

  1. 제1 도전형 반도체층;
    상기 제1 도전형 반도체층 상에 배치되고, 복수의 양자 장벽층 및 복수의 양자 우물층이 교대로 적층된 활성층; 및
    상기 활성층 상에 배치되는 제2 도전형 반도체층을 포함하며,
    상기 복수의 양자 장벽층 중 상기 제2 도전형 반도체층에 가장 인접한 양자 장벽층은 제1 언도프 영역(undoped region) 및 상기 제1 언도프 영역 상에 배치되고 상기 제1 언도프 영역의 두께보다 크거나 같은 두께를 갖는 제1 도프 영역(doped region)을 포함하고,
    상기 제1 언도프 영역 및 제1 도프 영역 각각은 서로 다른 에너지 밴드갭을 갖는 복수의 제1 단위층들(unit layers)을 포함하며, 인접한 제1 단위층들이 서로 다른 에너지 밴드갭을 갖도록 배열된 적어도 하나의 정공 수용 영역(hole accumulation region)을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 복수의 제1 단위층들은 제1 층과 상기 제1 층보다 작은 에너지 밴드갭을 갖는 제2 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 제1 단위층들은 상기 제1 층보다 큰 에너지 밴드갭을 갖는 제3 층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 언도프 영역 및 제1 도프 영역 중 적어도 하나는 GaN/InGaN/AlGaN/InGaN/GaN의 적층 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 도프 영역은 제2 도전형 도펀트로 도핑된 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 복수의 양자 장벽층 중 상기 제2 도전형 반도체층에 가장 인접한 양자 장벽층 외의 나머지 양자 장벽층들 중 적어도 하나는 제2 도프 영역 및 상기 제2 도프 영역 상에 배치되고 상기 제2 도프 영역의 두께보다 작거나 같은 두께를 갖는 제2 언도프 영역을 포함하고,
    상기 제2 언도프 영역 및 제2 도프 영역 각각은 서로 다른 에너지 밴드갭을 갖는 복수의 제2 단위층들을 포함하며, 인접한 제2 단위층들이 서로 다른 에너지 밴드갭을 갖도록 배열된 적어도 하나의 전자 수용 영역(electron accumulation region)을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 복수의 제2 단위층들은 제1 층과 상기 제1 층보다 작은 에너지 밴드갭을 갖는 제2 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 복수의 제2 단위층들은 상기 제1 층보다 큰 에너지 밴드갭을 갖는 제3 층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  9. 제6 항에 있어서,
    상기 제2 언도프 영역 및 제2 도프 영역 중 적어도 하나는 GaN/InGaN/AlGaN/InGaN/GaN의 적층 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  10. 제1 도전형 반도체층;
    상기 제1 도전형 반도체층 상에 배치되고, 복수의 양자 우물층과 복수의 양자 장벽층이 교대로 적층된 활성층; 및
    상기 활성층 상에 배치되는 제2 도전형 반도체층을 포함하며,
    상기 복수의 양자 장벽층 중 적어도 하나의 양자 장벽층은 언도프 영역 및 도프 영역을 포함하고,
    상기 언도프 영역은 상기 복수의 양자 우물층의 에너지 밴드갭보다 작거나 같은 에너지 밴드갭을 갖는 제2 층 및 상기 제2 층의 양측에 상기 제2 층의 에너지 밴드갭보다 큰 에너지 밴드갭을 갖는 복수의 제1 층을 포함하고,
    상기 도프 영역은 상기 복수의 양자 우물층의 에너지 밴드갭보다 작거나 같은 에너지 밴드갭을 갖는 제4 층 및 상기 제4 층의 양측에 상기 제4 층의 에너지 밴드갭보다 큰 에너지 밴드갭을 갖는 제3 층을 포함하고,
    상기 언도프 영역의 두께는 상기 도프 영역의 두께보다 크거나 같은 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
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